JP4401540B2 - Laser apparatus and optical signal amplifying apparatus using the same - Google Patents

Laser apparatus and optical signal amplifying apparatus using the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー装置及び光信号増幅装置に係り、特に、光ファイバー内部に含まれるレーザー活性物質に励起光を導入してレーザー発振を行うレーザー装置及びこのようなレーザー装置を用いた光信号増幅装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信又は光加工技術分野においては、安価で高出力のレーザー装置の開発が望まれている。従来より、この要請を満たせる可能性の高いものとして光ファイバーレーザー装置が知られている。光ファイバーレーザー装置は光を高密度に閉じ込めることでレーザー活性物質と光の相互作用を高め、且つ長さを長くすることで相互作用長を高められるので、空間的に高品質のレーザー光を発生することができる。
【0003】
このようなレーザー装置において、レーザー光の高出力化又は高効率化を実現するには、いかに光ファイバーのレーザー活性物質が添加されているコアに効率よく励起光を導入するかが課題となる。しかし、通常、単一モードの導波条件にコアを設定するとコア径は十数μm以下に限定されるので、この径の端面に効率よく励起光を導入するのは困難である。そこで光ファイバーの側面から励起光を導入することで励起光の導入効率を高め、且つ出力レーザー光の集光性を高めることのできるレーザー装置が提案されている。
【0004】
例えば、特開平10−190097号は、光ファイバーが密集した状態で光学媒質により一体化された構造体を形成しており、この構造体の周辺部から励起光を照射することにより、光ファイバーの端面からレーザー光を出力させるレーザー装置を開示している。このような装置によれば、光ファイバーの側面より励起光が導入されるので、端面より励起光を導入する場合に比べて、励起光が導入される面積が格段に大きい。しかも、出力されるレーザー光は光ファイバーの導波構造によって決定されるモードのみであるから近似的には光ファイバーからの出力光をコア径までは集光可能である。従って、ファイバーがシングルモードのみを伝播するものであれば、取り出し光は解析限界まで集光可能となる。このため、励起光よりもはるかに高輝度のレーザー光を得ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平10−190097号記載のレーザー装置では、励起光は光ファイバーを横切る形で伝播していくため、光ファイバー間の間隙において励起光の伝搬減衰や散乱損失を防止する必要がある。そのため、光ファイバーを熱融着で一体化したり、光ファイバー間の間隙を有機系接着剤で埋め込んだりすることが考えられる。
【0006】
光ファイバーの間隙を有機系接着剤で埋め込むことは比較的容易に行うことはできるものの、有機物ゆえ耐光パワー性が低く、数百W以上の強励起下では機械的強度を保持できなくなったり、接着剤が変性して透明性が維持できなくなることがある。
【0007】
また、光ファイバーを熱融着で一体化する方法は、光ファイバー間の間隙を光ファイバーの母材と同質のガラスで完全に埋め込むものである。この方法は信頼性は高いが、光ファイバーが石英ガラスのような融点の高いガラスで形成されている場合、光ファイバーを1500℃以上の高温で融着する必要があるので、光ファイバーのコアが変形するおそれがあり、また、この温度まで耐える形状を保つための補助治具の開発が困難であるといった問題がある。
【0008】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、励起光の導入効率やレーザー発振効率に優れ、レーザー発振に伴う光や熱に対する耐性が高く、しかも製造の容易なレーザー装置及びこのようなレーザー装置を用いた光信号増幅装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明者は鋭意研究の結果、取扱が容易な有機高分子樹脂の特徴と耐光性及び耐熱性に優れるという無機金属酸化物ガラスの特徴を併せ持つ有機−無機ハイブリッド材料が光ファイバーを密集状態で固定化する光学媒質として優れた特性を有することを見出し本発明を完成した。
【0010】
本発明は、屈折率が1.60以下のガラスからなり、内部にレーザー活性物質を含み、前記レーザー活性物質が励起されると端部よりレーザー光を発する光ファイバーの少なくとも一部が渦巻き状又はコイル状に巻回された密集状態で、前記光ファイバーの互いに隣接する部分で光学媒質により固定された光ファイバー構造体と、前記光ファイバー構造体の周辺に配置され、前記光ファイバーに含まれるレーザー活性物質を励起する励起光を発する励起光源を有し、前記励起光源からの励起光を前記光ファイバー構造体に導入するレーザー装置において、前記光学媒質は、ポリ(2−クロロエチル)シルセスキオキサン、ポリ(2−ブロモエチル)シルセスキオキサン、これらの混合物又はこれらとポリシロキサンとの混合物からなるオリゴマー若しくはポリマーを含むレーザー装置である。
【0011】
本発明は、屈折率が1.60以下のガラスからなり、内部にレーザー活性物質を含み、前記レーザー活性物質が励起されると端部よりレーザー光を発する光ファイバーの少なくとも一部が渦巻き状又はコイル状に巻回された密集状態で、前記光ファイバーの互いに隣接する部分で光学媒質により固定された光ファイバー構造体と、前記光ファイバー構造体の周辺に配置され、前記光ファイバーに含まれるレーザー活性物質を励起する励起光を発する励起光源を有し、前記励起光源からの励起光を前記光ファイバー構造体に導入するレーザー装置において、前記光学媒質は、ポリ(2−クロロエチル)シルセスキオキサン、ポリ(2−ブロモエチル)シルセスキオキサン又はこれらの混合物を硬化させたアモルファスシリカを含むレーザー装置である。
【0012】
本発明において、上記の特性を有する光学媒質としては、一般式RSiO1.5(Rはアルキル基、水酸基、フェニル基、ビニル基、2−クロロエチル基、2−ブロモエチル基、水素、重水素、フッ素又は酸素を表す。但し、Rが全て酸素であるものを除く。また、Rは繰り返し単位毎に異なっていてもよい。)で表される繰り返し単位を含む有機−無機ハイブリッド材料が挙げられる。
【0013】
具体的には、上記の特性を有する光学媒質としては、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチル−ヒドリドシルセスキオキサン、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリフェニル−メチルシルセスキオキサン、フェニルシルセスキオキサン−ジメチルシロキサンコポリマー、ポリフェニル−ビニルシルセスキオキサン、ポリシクロヘキシルシルセスキオキサン、ポリシクロペンチルシルセスキオキサン、ポリヒドリドシルセスキオキサン、ポリ(2−クロロエチル)シルセスキオキサン、ポリ(2−ブロモエチル)シルセスキオキサン、これらの混合物又はこれらとポリシロキサンとの混合物を含むオリゴマー若しくはポリマー、或いはポリ(2−クロロエチル)シルセスキオキサン、ポリ(2−ブロモエチル)シルセスキオキサン又はこれらの混合物を硬化させたアモルファスシリカ等が挙げられる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1及び図2は本発明の第1実施形態に係るレーザー装置10を示す。
このレーザー装置10は、光ファイバー14が巻回された状態で固定されている光ファイバー構造体12と、この光ファイバー14を励起させる励起光を発する励起光源20とを備えている。
【0015】
この光ファイバー構造体12は、単層の渦巻き状に巻回された光ファイバー14と、この光ファイバー14の互いに隣接する部分を接着して固定するための接着層16とを備えている。
【0016】
光ファイバー14はレーザー活性物質がドープされたコア14aと、このコア14aの周りに形成されたクラッド14bとを備えている。このレーザー活性物質は励起光による誘導放出効果によりレーザー光を発生する物質であり、ネオジム(Nd)、イッテルビウム(Yb)、エルビウム(Er)等の希土類元素等からレーザー装置の用途に応じたものが用いられる。本実施の形態では、光ファイバー14としては、接着層16による接着強度を強化すると共に、接着層16の硬化に伴う収縮により接着層16にひび割れ(クラック)が発生するのを防止するため、クラッド14bの断面が四角形のものが用いられる。この光ファイバー14は、通常、屈折率が1.60以下のガラス、例えば、石英系ガラス、リン酸塩ガラス、フッ化物ガラス、フツリン酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラス等の光学材料からレーザー装置10の用途に応じた材料により形成される。
【0017】
この光ファイバー14は外周に反射面が形成された円筒22を中心として単層の渦巻きに巻回されている。この光ファイバー14の一端は反射端として中心体の内部で反射鏡24に接続されており、他端は出力端として外部に引き出されている。
【0018】
この巻回された光ファイバー14の互い隣接する部分には接着層16が形成されており、この接着層16により光ファイバー14は円盤状の光ファイバー構造体12として固定されている。この接着層16としては、400℃以下の硬化温度を有し、一旦硬化すると300℃以上の熱分解開始温度と、励起光の波長で1.40〜1.56の屈折率と、損失0.5dB/cm以下の透明性を有する有機−無機ハイブリッドポリマーが用いられる。
【0019】
このような特性を有する物質としては、一般式RSiO1.5(Rはアルキル基、水酸基、フェニル基、ビニル基、2−クロロエチル基、2−ブロモエチル基、水素、重水素、フッ素又は酸素を表す。但し、Rが全て酸素であるものを除く。また、Rは繰り返し単位毎に異なっていてもよい。)で表される繰り返し単位を含む有機−無機ハイブリッドポリマーが挙げられる。この有機―無機ハイブリッドポリマーは、例えば、オルガノアルコキシシランを加水分解してできる高度な架橋体であり、分子構造の内部にはケイ素原子と酸素原子の結合に加えて有機物質の側鎖を有し、これらが三次元的に網目構造を形成している。
【0020】
具体的には、上記の特性を有する有機―無機ハイブリッドポリマーとしては、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリメチル−ヒドリドシルセスキオキサン、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリフェニル−メチルシルセスキオキサン、フェニルシルセスキオキサン−ジメチルシロキサンコポリマー、ポリフェニル−ビニルシルセスキオキサン、ポリシクロヘキシルシルセスキオキサン、ポリシクロペンチルシルセスキオキサン、ポリヒドリドシルセスキオキサン、ポリ(2−クロロエチル)シルセスキオキサン、ポリ(2−ブロモエチル)シルセスキオキサン、これらの混合物、又はこれらとポリシロキサンとの混合物を硬化させたもの等が挙げられる。
【0021】
例えば、レーザー活性物質がイッテルビウムのように0.910μm程度の励起波長を有する物質の場合、この波長におけるC−H結合の伸縮振動による励起光の吸収を避けるため、C―H結合を有しないポリヒドリドシルセスキオキサン等を用いられる。
【0022】
上記のシルセスキオキサン類は有機側鎖を変更することにより1.40〜1.56の範囲でその屈折率を調整することができる。また、これらのオリゴマーは混合して重合することにより光学的に均質の重合体を得ることができ、これによって上記範囲内で所望の屈折率を有する重合体を調整することも可能である。例えば、有機側鎖が全てメチル基のポリメチルシルセスキオキサンは屈折率がナトリウムのD線で1.43であり、側鎖がフェニル基とメチル基からなるポリフェニル−メチルシルセスキオキサンでは同屈折率が1.49である。これらのオリゴマーを混合して重合させることにより、石英系ガラスのクラッドの屈折率である1.4585に調節することができる。このように、光ファイバー14のクラッド14bと接着層16の屈折率を同程度に調整することにより接着層とクラッドとの境界が光学的にほぼ消失し、励起光の散乱損失を最小にとどめることができる。
【0023】
このような光ファイバー構造体12は、上記樹脂のオリゴマー又はモノマーをブタノール、アセトン、メトキシプロパノール、ピリジン、テトラヒドロフラン、メチルイソブチルケトン等の有機溶剤に溶解したものを光ファイバー14に塗布し、この光ファイバー14を円筒22に巻回した後、乾燥、加熱又は紫外線照射等により上記樹脂を硬化させることにより形成される。これによって、機械的強度が高く、損失0.5dB/cm以下の透明性を有し、しかも300℃以上の高温にも長時間耐え得る接着層16を形成することができる。
【0024】
上記樹脂の熱分解温度は、例えば、ポリメチルシルセスキオキサンとポリフェニルメチルシルセスキオキサンの1:2混合物では約500℃であり、フェニルシルセスキオキサン−ジメチルシロキサンコポリマーでは約350℃である。またβ―ブロモエチルシルセスキオキサンは、300℃以上で分解を開始して、緻密な無機膜を形成する。無機膜になってからの熱分解温度は1500℃以上になる。
【0025】
上記樹脂を加熱により硬化させる場合、硬化温度は50〜400℃、通常100〜250℃であり、通常の無機ガラスを溶融させて接着する温度よりかなり低い温度で硬化することができる。例えば、ポリ(2−クロロエチル)シルセスキオキサン、ポリ(2−ブロモエチル)シルセスキオキサン等は加熱重縮合の途中で塩化水素又は臭化水素を発生し、自ら重合の触媒となると共に、有機側鎖の離脱を促進し、酸素又はオゾン等の酸化性雰囲気下、400℃以下の比較的低温で、ほぼ完全なアモルファスシリカ膜を形成する。従って、これらの物質を使用することにより、耐光性や耐熱性に優れた完全無機材料による光ファイバー構造体12を比較的低温で製造することが可能になる。
【0026】
また、ポリ(2−クロロエチル)シルセスキオキサン、ポリ(2−ブロモエチル)シルセスキオキサンは波長180nm以上の紫外線を照射することによっても上述のアモルファスシリカ膜を形成することができ、この場合は常温にて完全無機材料による光ファイバー構造体12を作成することができる。
この光ファイバー構造体12は、必要により、光ファイバー14のクラッド14bと同程度、好ましくはやや小さい屈折率を有するフッ素樹脂や有機−無機ハイブリッド材料等の透明樹脂層18によりコーティングが施される。
【0027】
光ファイバー構造体12の周辺部には、光ファイバ14を励起させてレーザー光を発生させるための励起光源20が配置されている。この励起光源20としては、発光ダイオード(LED)、レーザーダイオード(LD)等の半導体素子やフラッシュランプ等のランプ類等の光ファイバー14のコア14aにドープされているレーザ活性物質を励起させる波長の光を発するものが用いられる。
【0028】
以下、上記のレーザー装置の作用について説明する。
励起光源20から発せれられた励起光は、透明樹脂層18の一部を除去した部分から光ファイバー構造体12内に導かれる。この励起光は光ファイバー14の側面を横切りながら光ファイバー構造体12内を進行し、透明樹脂層18と光ファイバー14のクラッド14bとの屈折率との差により透明樹脂層18で全反射されることにより光ファイバー構造体12に閉じ込められる。このとき、本発明に係るレーザー装置によれば、光ファイバー構造体12内での光ファイバー14間の間隙には接着層16が形成されているので、励起光の伝搬に伴う減衰やクラッド14bと接着層16の境界面における励起光の散乱損失を減少させることができる。
【0029】
この励起光は光ファイバー14のコア14aにドープされているレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光は光ファイバー14のコア14a内を伝わって出力端より出力される。
【0030】
このように、本発明に係るレーザー装置10によれば、励起光の導入効率やレーザー発振効率に優れたレーザー装置を提供することができる。また、接着層は、乾燥、比較的低温での加熱又は紫外線で硬化させることができ、しかも一旦硬化すると高い耐熱性を有するので、励起光に対する耐性が高く、しかも製造の容易なレーザー装置を提供することが可能になる。
【0031】
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。以下の説明においては、上述した構成と同一部分については同一の参照番号を付し、その説明は省略する。
図3及び図4は本発明の第2実施形態に係るレーザー装置30を示す。
このレーザー装置30は、光ファイバー34が巻回された状態で固定されている光ファイバー構造体32と、光ファイバー34を励起させる励起光を発する励起光源(図示せず)と、励起光を光ファイバー構造体32に導くための導光部材としてのガラスダクト40とを備えている。
【0032】
光ファイバー構造体32は、光ファイバー34がコイル状に巻回された構造を有している。そして、この巻回された光ファイバー34の互い隣接する部分には接着層16が形成されており、この接着層16により光ファイバー34は自立型円筒形状の光ファイバー構造体32として固定されている。本実施の形態では、光ファイバー34としては、接着層16による接着強度を強化すると共に、接着層16の硬化に伴う収縮により接着層にひび割れ(クラック)が発生するのを防止するため、クラッド34bの表面に2本の平行な平面が面取りされている断面樽型形状のものが用いられており、光ファイバー34はこの平面どうしが接着されることにより固定されるている。このような光ファイバー構造体32は、例えば、光ファイバー34を円筒状の土台の側面に間隙なく巻き付け、これに有機溶剤に溶解した有機‐無機ハイブリッド材料を塗布し、加熱、紫外線照射等により硬化させた後、土台を抜き取ることにより製造することができる。
【0033】
この光ファイバー構造体32の上部端面には、励起光源から発せられた光を導くためガラスの薄板で形成された導光部材としてのガラスダクト40が設けられている。導光部材としては、他の形状のダクトや、光ファイバー等を用いてもよい。また、導光部材を用いずに、光源を光ファイバー構造体に直接接続してもよい。
このようなレーザー装置30は、例えば、空気又は石英より低い屈折率を有する冷却媒体中でも動作させることができる。
【0034】
以下、上記のレーザー装置30の作用について説明する。
励起光源から発せれられた励起光はガラスダクト40を介して上部より光ファイバー構造体32内に導かれる。この励起光は光ファイバー34の側面を横切りながら光ファイバー構造体32内を下方に進行する。このとき、本発明に係るレーザー装置30によれば、光ファイバー34間の間隙には接着層16が形成されているので、励起光の伝搬に伴う減衰やクラッド34bと接着層16の境界面における励起光の散乱損失が減少される。
【0035】
この励起光は光ファイバー34のコア34aにドープされているレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光は光ファイバー34内を伝わって出力端より出力される。
このように、本発明に係るレーザー装置30によれば、励起光の導入効率やレーザー発振効率に優れ、励起光に対する耐性が高く、しかも製造の容易なレーザー装置を提供することが可能になる。
【0036】
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
図5および図6は本発明の第3実施形態に係るレーザー装置50を示す。
このレーザー装置50は、光ファイバー14が複数回折り返され束ねられている状態で固定された光ファイバー構造体52と、光ファイバー構造体52を保持すると共に、光ファイバー構造体52に励起光を導入するための光学基板54とを備えている。
【0037】
この光ファイバー構造体52においては、1本の光路を形成する光ファイバー14が複数回折り返されており、その中央部分は光ファイバー14が平行に束ねられたバンドル部56を形成している。このバンドル部56において、光ファイバー14の互い隣接する部分には接着層16が形成されており、この接着層16により光ファイバー14は構造体として固定されている。このバンドル部56は、ガラス等で形成された光学基板54上に接着層16により固定されている。この光学基板54の端面54a、54bは励起光の導入が可能な研磨面とされている。
【0038】
このようなレーザー装置50は、複数本の光ファイバーを光学基板54上に間隙なく配置し、これに有機溶剤に溶解した有機−無機ハイブリッドポリマーを塗布して光ファイバー間及び光ファイバーと光学基板間に浸透させて硬化させた後、各光ファイバーの端面を光路が一つながりになるように融着接続機で接続することにより製造することができる。また、1本の光ファイバーを複数回折り返しその中央部分を束ね、この束ねた部分を接着層を用いて光学基板上に固定することにより製造することも可能である。
【0039】
以下、上記のレーザー装置50の作用について説明する。
励起光源から発せれられた励起光は端面54bより光学基板54内に導かれる。この励起光は光学基板54の上下面で反射を繰り返しながら進行するが、バンドル部56が設けられている部分に達すると接着層16を介して側面から光ファイバー14に導入される。このとき、本発明に係るレーザー装置50によれば、接着層16における励起光の減衰や境界面における励起光の散乱損失を減少させることができる。
【0040】
この励起光は光ファイバー14のコア14aにドープされているレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光は光ファイバー14内を伝わって外部に引き出された端部より出力される。
このように、本発明に係るレーザー装置50によれば、励起光の導入効率やレーザー発振効率に優れ、励起光に対する耐性が高く、しかも製造の容易なレーザー装置を提供することが可能になる。
【0041】
本発明は上述した形態に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施することができる。例えば、接着層16として熱収縮率が小さい物質を用いる場合、断面が円形や楕円形のクラッドを有する光ファイバーを用いることもできる。また、本発明に係るレーザー装置10、30、50を光信号増幅装置として用いる場合、光ファイバー14、34の両端が外部に引き出され、一端が信号光入力端とされ、他端が信号出力端とされる。
【0042】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例1
図1及び図2に示されるレーザー装置によりレーザー発振を行った。
光ファイバー14として、コア径50μm、クラッド径70X200μm、コア14aの開口数0.2の断面矩形状の石英系ガラスファイバであって、コア14a内部に1.0at%のネオジムイオン(Nd3+)がドープされているものを120m用意した。この光ファイバー14をポリメチルシルセスキオキサンとポリフェニル‐メチルシルセスキオキサンの1:2混合物の10wt%アセトン溶液で濡らしながら、内径60φ、表面に金メッキが施された円筒22に200μmの幅が重なるように巻き付けて構造体を作成し、清浄な雰囲気下で乾燥させた。
【0043】
乾燥が完全に終了した後、この構造体をオーブン内に設置し、1℃/分の昇温速度で110℃まで昇温し、この状態で30分保持し、その後10℃/分で室温まで冷却した。オーブンからこの構造体を取り出し、エタノールを10%含む水で構造体の周囲の余分なシルセスキオキサンを拭き取り、乾燥の後、再びオーブンに設置し、5℃/分の昇温速度で200℃に昇温し、この状態で30分保持した。この操作によってポリシルセスキオキサンは完全に硬化した。
【0044】
光ファイバー14の巻付開始部分は円筒22に形成されたスリットに差し込み、この端面は反射端として波長1.06μmの光を99%反射する反射鏡24が取り付けられた。また、光ファイバー14の他端は出力端として破断面のままとされ、外部に引き出された。この構造体は屈折率1.33の透明なフッ素樹脂18がコーティングされ、光ファイバー構造体12とされた。
【0045】
光ファイバー構造体12の周囲には発振波長0.8μmのLD20が23個配置され、各LD20から励起光が導光ダクトを介して約120W、合計約2760Wが導入された。その結果、光ファイバー14の出力端から約800Wの波長1.06μm帯のレーザー発振を確認できた。また、このレーザー発振による光ファイバー構造体12のダメージは観察されなかった。
【0046】
比較例として、ポリシルセスキオキサンの代りにエポキシ系接着剤を用いた他は上記実施例と同一条件でレーザー装置を製造し、レーザー発振を行ったところ、上記実施例と比べて1/3以下の励起パワーで接着層の一部が燃焼してしまった。
【0047】
また、ポリシルセスキオキサンの代りに石英ガラスを用いて光ファイバーを融着した他は上記実施例と同一条件でレーザー装置を作成し、レーザー発振を行った。この場合、励起光によるダメージは上記実施例と同じく最大出力まで起こらなかったが、コアを伝播するレーザー光の伝播損失が大きく、効率は上記実施例の約70%にとどまった。以上により本発明の効果は明らかであった。
【0048】
実施例2
図3及び図4に示されるレーザー装置によりレーザー発振を行った。
光ファイバー34として、直径200μm、125μmの間隔を配して2列の平面が平行に面取りされた断面樽型形状の石英系ガラスファイバーであって、コア径50μm、コアの開口数0.2、コアに0.1at%のネオジムイオンがドープされたものを全長50m用意した。
【0049】
この光ファイバー34を内径150φの円柱に平面どうしが接触するようにして巻き付けた。この光ファイバー34の上部に厚さ125μm、幅12mmの石英ガラス製のガラスダクト40を2枚設置した。その後、β‐ブロモエチルシルセスキオキサンのメトキシプロパノール5wt%の溶液を、光ファイバー34の平面どうしの接触面及び光ファイバー34とガラスダクト40の接触面に十分に塗布し、清浄な雰囲気下で十分に乾燥させた。
【0050】
その後、表面に付着した余分なβ‐ブロモエチルシルセスキオキサンを拭き取り、低圧水銀ランプで紫外線を4時間照射した。この紫外線の照射によってβブロモエチルシルセスキオキサンは完全に硬化した。その後、円柱を抜き取り、自立型の円筒形状の光ファイバー構造体32を得た。
光ファイバ34の一方の端面には反射端として波長1.06μmの光を99.9%反射する反射鏡24が取り付けられた。また、光ファイバー34の他端は出力端として破断面のままとされた。
【0051】
ガラスダクト40一枚あたり発振波長0.8μmのLDを1個設置して、各LDから励起光を約100W、合計約200Wを照射した。その結果、光ファイバー34の出力端から約80Wの波長1.06μm帯のレーザー発振を確認できた。このレーザー発振による光ファイバー構造体32のダメージは観察されなかった。
【0052】
実施例3
図5及び図6に示されるレーザー装置によりレーザー発振を行った。
光ファイバー14として、コア径50μm、クラッド径125X200μm、コア14aの開口数0.2の断面正方形状の石英系ガラスの光ファイバーであって、コア14a内部に2.0at%のネオジムイオン(Nd3+)がドープされているものを、1〜2mの長さで全長20m用意した。また、光学基板54として、長さ1.0m、幅1.5mm、厚さ150μmの石英ガラスの平板であって長さ方向の両端面が研磨されているものを用意した。この光学基板54上に長手方向に沿って光ファイバー14を間隙なく配置した。この光ファイバー14上にフェニルシルセスキオキサン−ジメチルシロキサンコポリマーの20wt%ブタノール溶液を塗布し、光ファイバー14どうし及び光ファイバー14と光学基板54との接触面に浸透させ、清浄な雰囲気下で乾燥させた。その後、光ファイバー14の表面に付着した余分なフェニルシルセスキオキサン−ジメチルシロキサンコポリマーを拭き取り、120℃で90分間加熱して硬化させた。
【0053】
その後、光ファイバー14の端面を光路が一つながりになるように石英ファイバーの融着接続機で接続した。融着接続による波長1.06μmにおける接続損は測定誤差程度でしかないことが確認された。この光学的に一つながりの光ファイバー14の両端は外部に引き出されて、破断面のままとされた。
光学基板54の長手方向の両端面から発振波長0.8μmのレーザーダイオードの励起光を一端面あたり40W、合計80W照射した。その結果、光ファイバー14の両端面から合計約32Wの波長1.06μm帯のレーザー発振が確認された。
このレーザー発振による光ファイバー構造体52のダメージは観察されなかった。
【0054】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、光ファイバーを固定する光学媒質は400℃以下といった通常の無機ガラスより低い温度で硬化させることができるので、レーザー装置の製造が容易になると共に製造に際し光ファイバーのコアを変形させるおそれがない。また、この光学媒質は一旦硬化すると300℃以上の耐熱性を有するので、レーザー発振に伴う光及び熱によりよりダメージを受けることがない。また、この光学媒質はレーザー活性物質を励起可能な励起光の波長で1.40〜1.56の屈折率を有するので光ファイバーと光学媒質の屈折率を同程度に設定することが可能になり、光学媒質とクラッドとの境界における励起光の散乱損失を最小にとどめることができる。さらに、この光学媒質は、損失0.5dB/cmといった高い透明性を有するので光学媒質における励起光の減衰を防止することが可能になる。
従って、本発明によれば、励起光の導入効率やレーザー発振効率に優れ、励起光に対する耐性が高く、しかも製造の容易なレーザー装置及びこのレーザー装置を用いた光信号増幅装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るレーザー装置の第1実施形態の概略を示す平面図である。
【図2】本発明に係るレーザー装置の第1実施形態の概略を示す断面図である。
【図3】本発明に係るレーザー装置の第2実施形態の概略を示す斜視図である。
【図4】本発明に係るレーザー装置の第2実施形態の概略を示す断面図である。
【図5】本発明に係るレーザー装置の第3実施形態の概略を示す斜視図である。
【図6】本発明に係るレーザー装置の第3実施形態の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
10 レーザー装置
12 光ファイバー構造体
14 光ファイバー
14a コア
14b クラッド
16 接着層
20 励起光源
30 レーザー装置
32 光ファイバー構造体
34 光ファイバー
34a コア
34b クラッド
40 ガラスダクト
50 レーザー装置
52 光ファイバー構造体
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser device and an optical signal amplifying device, and more particularly, to a laser device that performs laser oscillation by introducing excitation light into a laser active substance contained in an optical fiber, and an optical signal amplifying device using such a laser device. .
[0002]
[Prior art]
In the field of optical communication or optical processing technology, development of an inexpensive and high-power laser device is desired. Conventionally, an optical fiber laser device is known as a device that is highly likely to satisfy this requirement. The optical fiber laser device increases the interaction between the laser active substance and the light by confining the light at high density, and the interaction length can be increased by increasing the length, thus generating high-quality laser light spatially. be able to.
[0003]
In such a laser apparatus, in order to realize high output or high efficiency of laser light, it is a problem how to efficiently introduce excitation light into a core to which a laser active substance of an optical fiber is added. However, since the core diameter is normally limited to a few tens of μm or less when the core is set to the single-mode waveguide condition, it is difficult to efficiently introduce the excitation light into the end face of this diameter. In view of this, there has been proposed a laser apparatus capable of increasing the efficiency of introducing the excitation light by introducing the excitation light from the side surface of the optical fiber and enhancing the condensing property of the output laser light.
[0004]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-190097 forms a structure that is integrated with an optical medium in a state where optical fibers are densely packed. By irradiating excitation light from the periphery of this structure, the end face of the optical fiber is irradiated. A laser device that outputs laser light is disclosed. According to such an apparatus, since the excitation light is introduced from the side surface of the optical fiber, the area where the excitation light is introduced is much larger than when the excitation light is introduced from the end face. In addition, since the output laser light is only in a mode determined by the waveguide structure of the optical fiber, the output light from the optical fiber can be condensed to the core diameter approximately. Therefore, if the fiber propagates only in the single mode, the extracted light can be condensed up to the analysis limit. For this reason, it is possible to obtain laser light with a much higher luminance than the excitation light.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the laser apparatus described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-190097, since the excitation light propagates across the optical fiber, it is necessary to prevent propagation attenuation and scattering loss of the excitation light in the gap between the optical fibers. For this reason, it is conceivable to integrate the optical fibers by heat fusion or to fill the gaps between the optical fibers with an organic adhesive.
[0006]
Although it is relatively easy to embed the gap between the optical fibers with an organic adhesive, the light resistance is low because of the organic material, and the mechanical strength cannot be maintained under strong excitation of several hundred W or more. May denature and become unable to maintain transparency.
[0007]
Further, the method of integrating the optical fibers by heat fusion is to completely fill the gaps between the optical fibers with the same glass as the optical fiber base material. Although this method is highly reliable, when the optical fiber is formed of glass having a high melting point such as quartz glass, it is necessary to melt the optical fiber at a high temperature of 1500 ° C. or higher, so that the core of the optical fiber may be deformed. In addition, there is a problem that it is difficult to develop an auxiliary jig for maintaining a shape that can withstand this temperature.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and is excellent in the efficiency of introducing excitation light and laser oscillation efficiency, and has high resistance to light and heat associated with laser oscillation, and is easy to manufacture. An object of the present invention is to provide an optical signal amplifying device using such a laser device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the present inventor, as a result of earnest research, has an organic-inorganic hybrid material that has both the characteristics of an organic polymer resin that is easy to handle and the characteristics of an inorganic metal oxide glass that is excellent in light resistance and heat resistance. Found that it has excellent characteristics as an optical medium for fixing optical fibers in a dense state, thereby completing the present invention.
[0010]
  The present invention is made of glass having a refractive index of 1.60 or less, contains a laser active substance therein, and when the laser active substance is excited, at least a part of an optical fiber that emits laser light from an end is spiral or coiled An optical fiber structure fixed by an optical medium at adjacent portions of the optical fiber, and arranged around the optical fiber structure to excite a laser active substance contained in the optical fiber. In a laser apparatus having an excitation light source that emits excitation light and introducing the excitation light from the excitation light source into the optical fiber structure, the optical medium is poly (2-chloroethyl) silsesquioxane, poly (2-bromoethyl) ) Silsesquioxanes, mixtures thereof or oligos composed of these and polysiloxanes A laser device comprising a chromatography or polymer.
[0011]
  The present invention is made of glass having a refractive index of 1.60 or less, contains a laser active substance therein, and when the laser active substance is excited, at least a part of an optical fiber that emits laser light from an end is spiral or coiled An optical fiber structure fixed by an optical medium at adjacent portions of the optical fiber, and arranged around the optical fiber structure to excite a laser active substance contained in the optical fiber. In a laser apparatus having an excitation light source that emits excitation light and introducing the excitation light from the excitation light source into the optical fiber structure, the optical medium is poly (2-chloroethyl) silsesquioxane, poly (2-bromoethyl) ) Laser apparatus comprising amorphous silica cured with silsesquioxane or a mixture thereof A.
[0012]
In the present invention, the optical medium having the above-mentioned characteristics is represented by the general formula RSiO1.5(R represents an alkyl group, a hydroxyl group, a phenyl group, a vinyl group, a 2-chloroethyl group, a 2-bromoethyl group, hydrogen, deuterium, fluorine, or oxygen, except that R is all oxygen. May be different for each repeating unit.) An organic-inorganic hybrid material containing a repeating unit represented by:
[0013]
Specifically, the optical medium having the above characteristics includes polymethylsilsesquioxane, polymethyl-hydridosilsesquioxane, polyphenylsilsesquioxane, polyphenyl-methylsilsesquioxane, and phenylsilsesquioxane. Sun-dimethylsiloxane copolymer, polyphenyl-vinylsilsesquioxane, polycyclohexylsilsesquioxane, polycyclopentylsilsesquioxane, polyhydridosilsesquioxane, poly (2-chloroethyl) silsesquioxane, poly (2 -Bromoethyl) silsesquioxane, a mixture thereof or an oligomer or polymer comprising these and a polysiloxane, or poly (2-chloroethyl) silsesquioxane, poly (2-bromoethyl) silsesquioxane or Amorphous silica obtained by curing a mixture of al and the like.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1 and 2 show a laser apparatus 10 according to a first embodiment of the present invention.
The laser device 10 includes an optical fiber structure 12 that is fixed in a state where an optical fiber 14 is wound, and an excitation light source 20 that emits excitation light that excites the optical fiber 14.
[0015]
The optical fiber structure 12 includes a single-layer spirally wound optical fiber 14 and an adhesive layer 16 for adhering and fixing adjacent portions of the optical fiber 14.
[0016]
The optical fiber 14 includes a core 14a doped with a laser active material, and a clad 14b formed around the core 14a. This laser active substance is a substance that generates laser light by a stimulated emission effect by excitation light, and is selected from rare earth elements such as neodymium (Nd), ytterbium (Yb), erbium (Er), etc. according to the use of the laser device Used. In the present embodiment, the optical fiber 14 is made of the clad 14b in order to reinforce the adhesive strength by the adhesive layer 16 and prevent the adhesive layer 16 from cracking due to shrinkage accompanying the hardening of the adhesive layer 16. In this case, a rectangular cross section is used. The optical fiber 14 is usually made of an optical material such as quartz glass, phosphate glass, fluoride glass, fluorophosphate glass, or borate glass with a refractive index of 1.60 or less. It is formed of a material according to the application.
[0017]
The optical fiber 14 is wound around a single layer spiral around a cylinder 22 having a reflecting surface on the outer periphery. One end of the optical fiber 14 is connected as a reflection end to the reflection mirror 24 inside the central body, and the other end is drawn out as an output end.
[0018]
Adhesive layers 16 are formed on adjacent portions of the wound optical fiber 14, and the optical fibers 14 are fixed as a disk-shaped optical fiber structure 12 by the adhesive layer 16. The adhesive layer 16 has a curing temperature of 400 ° C. or lower, and once cured, a thermal decomposition start temperature of 300 ° C. or higher, a refractive index of 1.40 to 1.56 at the wavelength of excitation light, and a loss of 0. An organic-inorganic hybrid polymer having a transparency of 5 dB / cm or less is used.
[0019]
As a substance having such characteristics, a general formula RSiO1.5(R represents an alkyl group, a hydroxyl group, a phenyl group, a vinyl group, a 2-chloroethyl group, a 2-bromoethyl group, hydrogen, deuterium, fluorine, or oxygen, except that R is all oxygen. May be different for each repeating unit.) An organic-inorganic hybrid polymer containing a repeating unit represented by: This organic-inorganic hybrid polymer is, for example, a highly crosslinked product obtained by hydrolyzing an organoalkoxysilane, and has a side chain of an organic substance in addition to a bond between a silicon atom and an oxygen atom inside the molecular structure. These form a three-dimensional network structure.
[0020]
Specifically, the organic-inorganic hybrid polymer having the above characteristics includes polymethylsilsesquioxane, polymethyl-hydridosilsesquioxane, polyphenylsilsesquioxane, polyphenyl-methylsilsesquioxane, phenyl. Silsesquioxane-dimethylsiloxane copolymer, polyphenyl-vinylsilsesquioxane, polycyclohexylsilsesquioxane, polycyclopentylsilsesquioxane, polyhydridosilsesquioxane, poly (2-chloroethyl) silsesquioxane, Examples include poly (2-bromoethyl) silsesquioxane, a mixture thereof, or a mixture of these and a polysiloxane.
[0021]
For example, when the laser active material is a substance having an excitation wavelength of about 0.910 μm such as ytterbium, in order to avoid absorption of excitation light due to stretching vibration of C—H bond at this wavelength, For example, hydridosilsesquioxane is used.
[0022]
The silsesquioxanes can be adjusted in refractive index in the range of 1.40 to 1.56 by changing the organic side chain. In addition, these oligomers can be mixed and polymerized to obtain an optically homogeneous polymer, whereby a polymer having a desired refractive index within the above range can be prepared. For example, polymethylsilsesquioxane whose organic side chain is all methyl group is 1.43 with a refractive index of sodium D line, and polyphenyl-methylsilsesquioxane whose side chain is composed of phenyl group and methyl group is The refractive index is 1.49. By mixing and polymerizing these oligomers, the refractive index of the quartz glass clad can be adjusted to 1.4585. In this way, by adjusting the refractive indexes of the clad 14b and the adhesive layer 16 of the optical fiber 14 to the same extent, the boundary between the adhesive layer and the clad is almost eliminated optically, and the scattering loss of the excitation light can be minimized. it can.
[0023]
Such an optical fiber structure 12 is obtained by applying a solution obtained by dissolving an oligomer or monomer of the above resin in an organic solvent such as butanol, acetone, methoxypropanol, pyridine, tetrahydrofuran, methyl isobutyl ketone, etc. After being wound around 22, the resin is cured by drying, heating, ultraviolet irradiation or the like. As a result, the adhesive layer 16 having high mechanical strength, transparency of loss of 0.5 dB / cm or less, and capable of withstanding a high temperature of 300 ° C. or higher for a long time can be formed.
[0024]
The thermal decomposition temperature of the resin is, for example, about 500 ° C for a 1: 2 mixture of polymethylsilsesquioxane and polyphenylmethylsilsesquioxane, and about 350 ° C for a phenylsilsesquioxane-dimethylsiloxane copolymer. is there. Β-Bromoethylsilsesquioxane starts to decompose at 300 ° C. or higher to form a dense inorganic film. The thermal decomposition temperature after becoming an inorganic film is 1500 ° C. or higher.
[0025]
When the resin is cured by heating, the curing temperature is 50 to 400 ° C., usually 100 to 250 ° C., and it can be cured at a temperature considerably lower than the temperature at which ordinary inorganic glass is melted and bonded. For example, poly (2-chloroethyl) silsesquioxane, poly (2-bromoethyl) silsesquioxane, and the like generate hydrogen chloride or hydrogen bromide during the heat polycondensation and serve as a polymerization catalyst by themselves. The release of the side chain is promoted, and an almost complete amorphous silica film is formed at a relatively low temperature of 400 ° C. or lower in an oxidizing atmosphere such as oxygen or ozone. Therefore, by using these substances, the optical fiber structure 12 made of a completely inorganic material having excellent light resistance and heat resistance can be produced at a relatively low temperature.
[0026]
In addition, poly (2-chloroethyl) silsesquioxane and poly (2-bromoethyl) silsesquioxane can form the above-described amorphous silica film by irradiating ultraviolet rays having a wavelength of 180 nm or more. The optical fiber structure 12 made of a completely inorganic material can be produced at room temperature.
If necessary, the optical fiber structure 12 is coated with a transparent resin layer 18 such as a fluororesin or an organic-inorganic hybrid material having a refractive index substantially equal to that of the clad 14 b of the optical fiber 14.
[0027]
An excitation light source 20 for exciting the optical fiber 14 to generate laser light is disposed around the optical fiber structure 12. As the excitation light source 20, light having a wavelength that excites a laser active substance doped in a core 14a of an optical fiber 14 such as a semiconductor element such as a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) or lamps such as a flash lamp. Is used.
[0028]
Hereinafter, the operation of the laser apparatus will be described.
Excitation light emitted from the excitation light source 20 is guided into the optical fiber structure 12 from a portion where a part of the transparent resin layer 18 is removed. The excitation light travels in the optical fiber structure 12 while traversing the side surface of the optical fiber 14, and is totally reflected by the transparent resin layer 18 due to the difference in refractive index between the transparent resin layer 18 and the clad 14b of the optical fiber 14. It is confined to the structure 12. At this time, according to the laser device according to the present invention, since the adhesive layer 16 is formed in the gap between the optical fibers 14 in the optical fiber structure 12, attenuation due to propagation of excitation light and the cladding 14b and the adhesive layer The scattering loss of the excitation light at the 16 interface surfaces can be reduced.
[0029]
This excitation light excites a laser active substance doped in the core 14a of the optical fiber 14, and generates laser light by a stimulated emission effect. This laser beam travels through the core 14a of the optical fiber 14 and is output from the output end.
[0030]
As described above, according to the laser device 10 of the present invention, it is possible to provide a laser device having excellent excitation light introduction efficiency and laser oscillation efficiency. In addition, the adhesive layer can be dried, heated at a relatively low temperature, or cured with ultraviolet rays, and once cured, it has high heat resistance, providing a laser device that is highly resistant to excitation light and easy to manufacture. It becomes possible to do.
[0031]
Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same parts as those described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
3 and 4 show a laser device 30 according to a second embodiment of the present invention.
The laser device 30 includes an optical fiber structure 32 fixed in a state where the optical fiber 34 is wound, an excitation light source (not shown) that emits excitation light that excites the optical fiber 34, and the optical fiber structure 32. And a glass duct 40 as a light guide member for guiding the light.
[0032]
The optical fiber structure 32 has a structure in which an optical fiber 34 is wound in a coil shape. An adhesive layer 16 is formed on adjacent portions of the wound optical fiber 34, and the optical fiber 34 is fixed as a self-supporting cylindrical optical fiber structure 32 by the adhesive layer 16. In this embodiment, as the optical fiber 34, the adhesive strength of the adhesive layer 16 is enhanced, and in order to prevent the adhesive layer from cracking due to the shrinkage caused by the hardening of the adhesive layer 16, the cladding 34b A cross-sectional barrel shape having two parallel planes chamfered on the surface is used, and the optical fiber 34 is fixed by bonding the planes to each other. In such an optical fiber structure 32, for example, an optical fiber 34 is wound around a side surface of a cylindrical base without a gap, and an organic-inorganic hybrid material dissolved in an organic solvent is applied to the optical base 34 and cured by heating, ultraviolet irradiation, or the like. Later, it can be manufactured by removing the foundation.
[0033]
A glass duct 40 as a light guide member formed of a thin glass plate is provided on the upper end face of the optical fiber structure 32 to guide light emitted from the excitation light source. As the light guide member, a duct having another shape, an optical fiber, or the like may be used. Moreover, you may connect a light source directly to an optical fiber structure, without using a light guide member.
Such a laser device 30 can be operated even in a cooling medium having a lower refractive index than air or quartz, for example.
[0034]
Hereinafter, the operation of the laser device 30 will be described.
Excitation light emitted from the excitation light source is guided into the optical fiber structure 32 from above through the glass duct 40. The excitation light travels downward in the optical fiber structure 32 while traversing the side surface of the optical fiber 34. At this time, according to the laser device 30 according to the present invention, since the adhesive layer 16 is formed in the gap between the optical fibers 34, attenuation due to propagation of excitation light or excitation at the boundary surface between the clad 34 b and the adhesive layer 16. Light scattering loss is reduced.
[0035]
This excitation light excites the laser active substance doped in the core 34a of the optical fiber 34, and generates laser light by the stimulated emission effect. This laser beam travels through the optical fiber 34 and is output from the output end.
Thus, according to the laser device 30 of the present invention, it is possible to provide a laser device that is excellent in excitation light introduction efficiency and laser oscillation efficiency, highly resistant to excitation light, and easy to manufacture.
[0036]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
5 and 6 show a laser apparatus 50 according to a third embodiment of the present invention.
The laser device 50 has an optical fiber structure 52 fixed in a state where a plurality of optical fibers 14 are folded back and bundled, and an optical for holding the optical fiber structure 52 and introducing excitation light into the optical fiber structure 52. And a substrate 54.
[0037]
In this optical fiber structure 52, a plurality of optical fibers 14 forming one optical path are folded back, and a central portion thereof forms a bundle portion 56 in which the optical fibers 14 are bundled in parallel. In the bundle portion 56, an adhesive layer 16 is formed on adjacent portions of the optical fiber 14, and the optical fiber 14 is fixed as a structure by the adhesive layer 16. The bundle portion 56 is fixed by an adhesive layer 16 on an optical substrate 54 formed of glass or the like. End surfaces 54a and 54b of the optical substrate 54 are polished surfaces into which excitation light can be introduced.
[0038]
In such a laser device 50, a plurality of optical fibers are arranged on the optical substrate 54 without a gap, and an organic-inorganic hybrid polymer dissolved in an organic solvent is applied to the optical substrate 54 so as to penetrate between the optical fibers and between the optical fibers and the optical substrates. After being cured, the end faces of the optical fibers can be manufactured by connecting them with a fusion splicer so that the optical paths are connected. It is also possible to manufacture a single optical fiber by folding it in a plurality of times and bundling its central part and fixing the bundled part on an optical substrate using an adhesive layer.
[0039]
Hereinafter, the operation of the laser device 50 will be described.
Excitation light emitted from the excitation light source is guided into the optical substrate 54 from the end face 54b. The excitation light travels while being repeatedly reflected on the upper and lower surfaces of the optical substrate 54, but when reaching the portion where the bundle portion 56 is provided, it is introduced into the optical fiber 14 from the side surface via the adhesive layer 16. At this time, according to the laser device 50 according to the present invention, the attenuation of the excitation light in the adhesive layer 16 and the scattering loss of the excitation light at the boundary surface can be reduced.
[0040]
This excitation light excites a laser active substance doped in the core 14a of the optical fiber 14, and generates laser light by a stimulated emission effect. This laser beam is output from the end portion that is transmitted to the outside through the optical fiber 14.
As described above, according to the laser device 50 of the present invention, it is possible to provide a laser device that is excellent in excitation light introduction efficiency and laser oscillation efficiency, highly resistant to excitation light, and easy to manufacture.
[0041]
The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist thereof. For example, when a material having a small thermal shrinkage is used as the adhesive layer 16, an optical fiber having a clad having a circular or elliptical cross section can be used. Further, when the laser devices 10, 30, and 50 according to the present invention are used as an optical signal amplifying device, both ends of the optical fibers 14 and 34 are pulled out, one end is a signal light input end, and the other end is a signal output end. Is done.
[0042]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
Example 1
Laser oscillation was performed by the laser apparatus shown in FIGS.
The optical fiber 14 is a silica glass fiber having a core diameter of 50 μm, a cladding diameter of 70 × 200 μm, and a numerical aperture of the core 14a having a rectangular cross section, and 1.0 at% neodymium ions (Nd) in the core 14a.3+) Was doped 120 m. While the optical fiber 14 is wetted with a 10 wt% acetone solution of a 1: 2 mixture of polymethylsilsesquioxane and polyphenyl-methylsilsesquioxane, the inner diameter of the cylinder 22 with a gold plating on the surface is 200 μm wide. A structure was prepared by winding the layers so as to overlap each other, and dried in a clean atmosphere.
[0043]
After drying is completed, this structure is placed in an oven, heated to 110 ° C. at a heating rate of 1 ° C./min, held in this state for 30 minutes, and then to room temperature at 10 ° C./min. Cooled down. Remove the structure from the oven, wipe off excess silsesquioxane around the structure with water containing 10% ethanol, and after drying, place it in the oven again and heat at 200 ° C at a rate of 5 ° C / min. The temperature was raised to 30 minutes and kept in this state for 30 minutes. By this operation, the polysilsesquioxane was completely cured.
[0044]
A winding start portion of the optical fiber 14 was inserted into a slit formed in the cylinder 22, and a reflection mirror 24 reflecting 99% of light having a wavelength of 1.06 μm was attached to this end face as a reflection end. Further, the other end of the optical fiber 14 was left as a broken surface as an output end and pulled out to the outside. This structure was coated with a transparent fluororesin 18 having a refractive index of 1.33 to obtain an optical fiber structure 12.
[0045]
Around the optical fiber structure 12, 23 LDs 20 with an oscillation wavelength of 0.8 μm were arranged, and excitation light from each LD 20 was introduced through a light guide duct, about 120 W, a total of about 2760 W. As a result, laser oscillation in the wavelength 1.06 μm band of about 800 W from the output end of the optical fiber 14 was confirmed. Moreover, damage to the optical fiber structure 12 due to this laser oscillation was not observed.
[0046]
As a comparative example, a laser device was manufactured under the same conditions as in the above example except that an epoxy adhesive was used instead of polysilsesquioxane, and laser oscillation was performed. A part of the adhesive layer was burned with the following excitation power.
[0047]
In addition, a laser apparatus was produced under the same conditions as in the above example except that fused optical fibers were fused using quartz glass instead of polysilsesquioxane, and laser oscillation was performed. In this case, the damage due to the excitation light did not occur up to the maximum output as in the above example, but the propagation loss of the laser light propagating through the core was large, and the efficiency was only about 70% of the above example. From the above, the effects of the present invention were clear.
[0048]
Example 2
Laser oscillation was performed by the laser apparatus shown in FIGS.
The optical fiber 34 is a quartz glass fiber having a barrel-shaped cross-section in which two rows of planes are chamfered in parallel with intervals of 200 μm and 125 μm in diameter, having a core diameter of 50 μm, a core numerical aperture of 0.2, a core The total length of 50 m was prepared by doping 0.1 at% neodymium ions.
[0049]
The optical fiber 34 was wound around a cylinder having an inner diameter of 150φ so that the flat surfaces were in contact with each other. Two glass ducts 40 made of quartz glass having a thickness of 125 μm and a width of 12 mm were installed on the optical fiber 34. Thereafter, a solution of β-bromoethylsilsesquioxane in 5% by weight of methoxypropanol is sufficiently applied to the contact surface between the flat surfaces of the optical fiber 34 and the contact surface of the optical fiber 34 and the glass duct 40, and the solution is sufficiently applied in a clean atmosphere. Dried.
[0050]
Thereafter, excess β-bromoethylsilsesquioxane adhering to the surface was wiped off, and ultraviolet rays were irradiated for 4 hours with a low-pressure mercury lamp. The β-bromoethylsilsesquioxane was completely cured by this ultraviolet irradiation. Thereafter, the column was extracted to obtain a self-supporting cylindrical optical fiber structure 32.
A reflection mirror 24 that reflects 99.9% of light having a wavelength of 1.06 μm was attached to one end face of the optical fiber 34 as a reflection end. The other end of the optical fiber 34 was left as a broken surface as an output end.
[0051]
One LD with an oscillation wavelength of 0.8 μm was installed per one glass duct 40, and excitation light was irradiated from each LD at about 100 W for a total of about 200 W. As a result, laser oscillation in the wavelength 1.06 μm band of about 80 W from the output end of the optical fiber 34 was confirmed. Damage to the optical fiber structure 32 due to this laser oscillation was not observed.
[0052]
Example 3
Laser oscillation was performed by the laser apparatus shown in FIGS.
The optical fiber 14 is a silica glass optical fiber having a core diameter of 50 μm, a cladding diameter of 125 × 200 μm, and a numerical aperture of 0.2 of the core 14a and having a square cross section, and 2.0 at% neodymium ions (Nd) inside the core 14a.3+) Is doped with a length of 1 to 2 m and a total length of 20 m. As the optical substrate 54, a quartz glass flat plate having a length of 1.0 m, a width of 1.5 mm, and a thickness of 150 μm and having both end surfaces in the length direction polished was prepared. On this optical substrate 54, the optical fiber 14 was arranged along the longitudinal direction without any gap. A 20 wt% butanol solution of phenylsilsesquioxane-dimethylsiloxane copolymer was applied onto the optical fiber 14, and the optical fiber 14 and the contact surface between the optical fiber 14 and the optical substrate 54 were infiltrated, and dried in a clean atmosphere. Thereafter, excess phenylsilsesquioxane-dimethylsiloxane copolymer adhering to the surface of the optical fiber 14 was wiped off and cured by heating at 120 ° C. for 90 minutes.
[0053]
Thereafter, the end faces of the optical fibers 14 were connected by a fused fusion machine of quartz fibers so that the optical paths were connected. It was confirmed that the connection loss at a wavelength of 1.06 μm due to fusion splicing was only about the measurement error. Both ends of the optically connected optical fiber 14 were pulled out to the broken surface.
Excitation light of a laser diode having an oscillation wavelength of 0.8 μm was irradiated from both end faces in the longitudinal direction of the optical substrate 54 for 40 W per one end face in total 80 W. As a result, laser oscillation in a 1.06 μm wavelength band of about 32 W in total was confirmed from both end faces of the optical fiber 14.
Damage to the optical fiber structure 52 due to this laser oscillation was not observed.
[0054]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, the optical medium for fixing the optical fiber can be cured at a temperature lower than that of ordinary inorganic glass such as 400 ° C. or lower, which facilitates the manufacture of the laser device. There is no risk of deforming the core of the optical fiber during manufacture. In addition, since this optical medium has a heat resistance of 300 ° C. or higher once cured, it is not damaged by light and heat accompanying laser oscillation. In addition, since this optical medium has a refractive index of 1.40 to 1.56 at the wavelength of the excitation light that can excite the laser active substance, it becomes possible to set the refractive indexes of the optical fiber and the optical medium to the same level. The scattering loss of the excitation light at the boundary between the optical medium and the cladding can be minimized. Furthermore, since this optical medium has high transparency such as a loss of 0.5 dB / cm, it is possible to prevent attenuation of excitation light in the optical medium.
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a laser device that is excellent in excitation light introduction efficiency and laser oscillation efficiency, has high resistance to excitation light, and is easy to manufacture, and an optical signal amplification device using this laser device. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view schematically showing a first embodiment of a laser apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view schematically showing a first embodiment of a laser apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a perspective view schematically showing a second embodiment of the laser apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a second embodiment of the laser apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a perspective view schematically showing a third embodiment of the laser apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is a sectional view schematically showing a third embodiment of the laser apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Laser equipment
12 Optical fiber structure
14 Optical fiber
14a core
14b cladding
16 Adhesive layer
20 Excitation light source
30 Laser equipment
32 Optical fiber structure
34 Optical fiber
34a core
34b cladding
40 Glass duct
50 Laser equipment
52 Optical fiber structure

Claims (4)

屈折率が1.60以下のガラスからなり、内部にレーザー活性物質を含み、前記レーザー活性物質が励起されると端部よりレーザー光を発する光ファイバーの少なくとも一部が渦巻き状又はコイル状に巻回された密集状態で、前記光ファイバーの互いに隣接する部分で光学媒質により固定された光ファイバー構造体と
前記光ファイバー構造体の周辺に配置され、前記光ファイバーに含まれるレーザー活性物質を励起する励起光を発する励起光源を有し、前記励起光源からの励起光を前記光ファイバー構造体に導入するレーザー装置において
前記光学媒質は、ポリ(2−クロロエチル)シルセスキオキサン、ポリ(2−ブロモエチル)シルセスキオキサン、これらの混合物又はこれらとポリシロキサンとの混合物からなるオリゴマー若しくはポリマーを含むレーザー装置。
It consists of glass with a refractive index of 1.60 or less, contains a laser active substance inside, and when the laser active substance is excited, at least a part of an optical fiber that emits laser light from its end is wound in a spiral or coil shape An optical fiber structure fixed by an optical medium in adjacent portions of the optical fiber in a dense state,
In the laser apparatus that is disposed around the optical fiber structure, has an excitation light source that emits excitation light that excites a laser active substance contained in the optical fiber, and introduces excitation light from the excitation light source into the optical fiber structure .
The optical medium includes a laser device including an oligomer or a polymer including poly (2-chloroethyl) silsesquioxane, poly (2-bromoethyl) silsesquioxane, a mixture thereof, or a mixture of these and polysiloxane.
屈折率が1.60以下のガラスからなり、内部にレーザー活性物質を含み、前記レーザー活性物質が励起されると端部よりレーザー光を発する光ファイバーの少なくとも一部が渦巻き状又はコイル状に巻回された密集状態で、前記光ファイバーの互いに隣接する部分で光学媒質により固定された光ファイバー構造体と
前記光ファイバー構造体の周辺に配置され、前記光ファイバーに含まれるレーザー活性物質を励起する励起光を発する励起光源を有し、前記励起光源からの励起光を前記光ファイバー構造体に導入するレーザー装置において
前記光学媒質は、ポリ(2−クロロエチル)シルセスキオキサン、ポリ(2−ブロモエチル)シルセスキオキサン又はこれらの混合物を硬化させたアモルファスシリカを含むレーザー装置。
It consists of glass with a refractive index of 1.60 or less, contains a laser active substance inside, and when the laser active substance is excited, at least a part of an optical fiber that emits laser light from its end is wound in a spiral or coil shape An optical fiber structure fixed by an optical medium in adjacent portions of the optical fiber in a dense state,
In the laser apparatus that is disposed around the optical fiber structure, has an excitation light source that emits excitation light that excites a laser active substance contained in the optical fiber, and introduces excitation light from the excitation light source into the optical fiber structure .
The optical medium includes a laser device including amorphous silica obtained by curing poly (2-chloroethyl) silsesquioxane, poly (2-bromoethyl) silsesquioxane, or a mixture thereof.
前記光ファイバーの側面には平面が形成されており、前記光ファイバーは前記平面どうしが密着した状態で固定されている請求項1又は2記載のレーザー装置。  The laser device according to claim 1, wherein a flat surface is formed on a side surface of the optical fiber, and the optical fiber is fixed in a state where the flat surfaces are in close contact with each other. 請求項1〜3のいずれか1項に記載されたレーザー装置を備え、前記レーザー装置の光ファイバーの一端を信号光の入力端とし、他端を増幅光の出力端とする光信号増幅装置。  An optical signal amplifying device comprising the laser device according to claim 1, wherein one end of an optical fiber of the laser device is an input end of signal light, and the other end is an output end of amplified light.
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